噴油提前角對(duì)雙燃料柴油機(jī)燃燒和排放的影響

宣 熔，張飛飛 ，陳 堅(jiān),2，林 航，牛夢達(dá)，馮超然，黃加亮,2

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

0 引言

隨著人們對(duì)環(huán)境安全意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，針對(duì)內(nèi)燃機(jī)相關(guān)的排放法規(guī)愈來愈嚴(yán)格，因此著眼于國家發(fā)展及環(huán)境保護(hù)問題，尋求合適替代能源，降低燃油排放已成為眾多學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2]。 胡登等[3]研究表明噴油提前角增大，缸內(nèi)平均壓力、平均指示壓力升高，滯燃期延長，在上止點(diǎn)接近等容燃燒，燃燒質(zhì)量得到提高。譚澤飛等[4]研究表明，高壓共軌柴油機(jī)燃用不同混比的生物柴油燃料在噴油提前角提前或推遲2°后,發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率均增加,扭矩均降低；鄧濤等[5]研究表明，噴油提前角增加過大會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)工作粗暴的現(xiàn)象，適當(dāng)增大提前角可以改善雙燃料柴油機(jī)的動(dòng)力性；蘇祥文等[6]對(duì)天然氣-柴油雙燃料柴油機(jī)展開研究，研究表明在天然氣摻混率為60%時(shí)，隨著噴油提前角的滯后，NOx排放量減小。

以4190ZLC-2型船用四缸中速柴油機(jī)為原型，利用AVL_FIRE軟件構(gòu)建柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室模型，研究原機(jī)在額定工況、甲醇摻混比為20%時(shí)，不同噴油提前角對(duì)燃燒、排放以及動(dòng)力性能的影響。

1 仿真模型的建立與驗(yàn)證

1.1 計(jì)算模型

本文選取k-ε雙方程模型作為湍流流動(dòng)模型；適用于混合燃料的KH-RT模型作為液滴破碎模型[7-8]；液滴蒸發(fā)模型選擇Multi-component模型；O-Rourke模型作為液滴相互碰撞模型；Enable模型作為擴(kuò)散模型；Walljet1模型作為液滴碰壁模型；Zwldovich模型作為NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)排放物生成模型；Frolov Kinetic模型作為Soot生成模型。雙燃料化學(xué)反應(yīng)機(jī)理參照文獻(xiàn)[9]。

1.2 模型的建立與驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為直列四缸船用柴油機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min，氣缸直徑×行程=190 mm×210 mm；壓縮比為14∶1；標(biāo)定轉(zhuǎn)矩為2100 N·m；噴油量為每循環(huán)0.194 88 g。

表1 網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性驗(yàn)證表Tab.1 Verification table forgrid number independence網(wǎng)格數(shù)量Grid numbers平均有效壓力Mean effectivepressure/MPa相對(duì)誤差Relative error/%12 3311.132—14 2541.1743.5815 8051.1961.8317 3181.2181.8118 2721.2341.78

對(duì)1/8燃燒室模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)而設(shè)置5種不同尺寸網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目分別為12 331、14 254、15 805、17 318、18 272，以平均有效壓力為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。得到數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可知，平均有效壓力隨網(wǎng)格數(shù)的增加有所波動(dòng)，在網(wǎng)格數(shù)目大于15 805后，波動(dòng)較小，相對(duì)誤差穩(wěn)定在1.8%左右，因此認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)目達(dá)到15 805后，網(wǎng)格數(shù)目對(duì)仿真結(jié)果無影響。為減少仿真計(jì)算時(shí)間，本文劃分網(wǎng)格數(shù)為15 805。

運(yùn)用AUTO CAD軟件，依照4190ZLC-2型柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維建模，再導(dǎo)入AVL_FIRE中的ESE模塊自動(dòng)生成三維圖形，并完成網(wǎng)格的劃分與檢查。由于4190ZLC-2型柴油機(jī)缸內(nèi)有8個(gè)噴嘴，為了簡化計(jì)算，將燃燒室分為8等分，并取其1/8進(jìn)行仿真研究，模型計(jì)算范圍為柴油機(jī)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻(594°)至排氣門開啟時(shí)刻(841°)[10]。為驗(yàn)證建立仿真模型的準(zhǔn)確性，在全負(fù)荷工況下，將模型仿真的缸內(nèi)壓力曲線、放熱率曲線與原機(jī)實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。從圖1可看出，仿真數(shù)值略高于原機(jī)值，且誤差均小于3%，具有一定準(zhǔn)確性，可用于下一步仿真模擬研究。

2 噴油提前角對(duì)柴油-甲醇柴油機(jī)性能影響分析

以柴油-甲醇雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室模型為基礎(chǔ)，在額定工況下燃用甲醇摻混比為20%的混合燃料時(shí)，分析噴油提前角分別為16.6°、18.6°、20.6°、22.6°時(shí)對(duì)柴油機(jī)燃燒、排放以及動(dòng)力特性的影響。其中，18.6°噴油提前角為原機(jī)數(shù)據(jù)。

2.1 燃燒影響

圖2為不同噴油提前角下缸內(nèi)壓力曲線圖。從圖2可以看出，隨著噴油提前角的不斷增大，缸內(nèi)壓力曲線整體前移，最高壓力不斷增大，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角有所提前，著火始點(diǎn)提前，滯燃期延長。出現(xiàn)這種現(xiàn)象原因是：隨著噴油提前角的不斷增大，柴油噴入氣缸內(nèi)的時(shí)刻提前，滯燃期延長[11-12]，燃油與空氣混合更充分，形成的可燃混合氣質(zhì)量高，焰前反應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致較早達(dá)到柴油燃燒點(diǎn)，缸內(nèi)燃燒提前，同時(shí)缸內(nèi)燃燒時(shí)最高爆發(fā)壓力增大。但過早的噴油提前角會(huì)帶來缸內(nèi)燃燒劇烈，不利于缸內(nèi)混合燃料均勻燃燒。

圖3為不同噴油提前角下缸內(nèi)放熱率曲線。從圖3可知，隨著噴油提前角的逐漸增大，放熱率曲線整體提前，放熱率峰值增大，且噴油提前角越大，峰值增加幅度越大。產(chǎn)生這種情況是因?yàn)椋涸谳^小噴油提前角時(shí)，缸內(nèi)滯燃期短，混合氣質(zhì)量差，缸內(nèi)燃燒不充分，由于燃燒后期溫度增加、壓力減小，使得放熱率峰值下降。隨著噴油提前角的增大，滯燃期延長，混合氣質(zhì)量提高，改善了缸內(nèi)燃燒環(huán)境，放熱效果好，導(dǎo)致放熱率峰值提高。

圖4為不同噴油提前角下的缸內(nèi)溫度場切片圖。縱向來看，在710°時(shí)，缸內(nèi)油束噴嘴處的溫度均低于周圍區(qū)域，且隨著噴油提前角的增大，二者溫度差有上升趨勢；在720°時(shí)，油束噴嘴處的溫度均高于周圍環(huán)境，隨著噴油提前角的增大，在相同曲軸轉(zhuǎn)角，缸內(nèi)相同位置處，高溫聚集區(qū)面積均增大。這主要是因?yàn)椋瑖娪吞崆敖堑脑龃螅瑴计谘娱L，燃料與空氣混合更加充分、均勻，形成的混合氣質(zhì)量更高。從橫向來看，隨著活塞在缸內(nèi)的不斷運(yùn)動(dòng)，缸內(nèi)高溫區(qū)域逐漸擴(kuò)散，從油束區(qū)域至缸內(nèi)各處。形成這種情況主要有如下兩方面原因：1)油束噴入氣缸內(nèi)，在凹坑處碰撞，發(fā)生黏附、反彈等現(xiàn)象，油滴得到擴(kuò)散，隨之瞬間發(fā)生燃燒；2)由于活塞的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)燃油液滴在缸內(nèi)擴(kuò)散，缸內(nèi)最高溫度對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角以及燃燒始點(diǎn)均有明顯提前，溫度峰值從噴油提前角18.6°的1 934 K升高到噴油提前角22.6°的2 100 K，增幅達(dá)到8.58%，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角從738.7°提前到736.3°。

2.2 噴油提前角對(duì)排放特性、動(dòng)力性的影響

圖5為不同噴油提前角下柴油機(jī)CO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線圖。從圖5可知，隨著噴油提前角的逐漸增大，CO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線整體前移，峰值增大且對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角不斷提前，但最終的CO排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻逐漸降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因?yàn)椋瑖娪吞崆敖窃龃螅瑴计陂L，混合氣質(zhì)量高，優(yōu)化缸內(nèi)燃燒，缸內(nèi)壓力，溫度均得到增加。燃燒依始，消耗缸內(nèi)氧含量，形成缺氧環(huán)境，促進(jìn)CO生成。而在730°處，曲線發(fā)生變化。大噴油提前角生成CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，逐漸低于小噴油提前角。這主要是因?yàn)樾娪吞崆敖菍?duì)應(yīng)燃燒始點(diǎn)滯后，此時(shí)正處于CO主要生成的反應(yīng)初期，而大噴油提前角已度過該階段。由于大噴油提前角缸內(nèi)燃燒充分、完全，因此CO最終生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于小噴油提前角。

圖6為不同噴油提前角對(duì)應(yīng)NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖。從圖6可看出，NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著噴油提前角的增大而逐漸升高，且生成始點(diǎn)提前。這主要是因?yàn)椋瑖娪吞崆敖窃龃螅瑴计谘娱L，優(yōu)化了缸內(nèi)燃料與空氣混合效果，燃燒效果更好，溫度、壓力均增大，且噴油提前角越大，缸內(nèi)溫度、壓力增加幅度越大。噴油提前角為18.6°時(shí)，NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.14×10-5；噴油提前角為20.6°時(shí)，NO生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.27×10-5，增幅約為29.83%。

圖7為不同噴油提前角下的碳煙Soot生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線圖。從圖7可看出，隨著噴油提前角的增大，柴油機(jī)生成Soot含量逐漸降低，且生成始點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角不斷前移，存在明顯Trad-off效應(yīng)。這主要是因?yàn)椋簢娪吞崆敖堑脑龃螅娱L了滯燃期，空氣與霧化后的柴油液滴混合質(zhì)量提高，可以較早地達(dá)到柴油的燃點(diǎn)[13]。其次，缸內(nèi)燃燒充分，導(dǎo)致Soot含量大幅降低。噴油提前角為20.6°時(shí)，Soot生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.01×10-5，與原機(jī)相比降幅達(dá)到30.5%。

圖8是不同噴油提前角下的指示功率曲線圖。從圖8中可看出，指示功率隨著噴油提前角增大而逐漸降升高。這是因?yàn)椋瑖娪蜁r(shí)刻的不斷提前，油氣混合質(zhì)量得到優(yōu)化，大量的油氣在滯燃期混合，同時(shí)混合燃料在更靠近活塞的上止點(diǎn)附近燃燒，放出大量熱量，推動(dòng)活塞快速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化率提高，動(dòng)力性能得到提升。與原機(jī)相比，噴油提前角為20.6°時(shí)，指示功率提高至58.75 kW。

圖9為不同噴油提前角下缸內(nèi)NO濃度場圖。

從圖9可看出，在噴油提前角為20.6°時(shí)，缸內(nèi)NO濃度突然增加。NO最初在油束周圍處生成，隨著活塞的不斷運(yùn)動(dòng)，缸內(nèi)NO濃度范圍擴(kuò)大，逐漸由油束邊緣向四周擴(kuò)散，最終分布在燃燒室各處，在740°時(shí)，NO集中在燃燒室中上部以及燃燒室頂隙處。

3 結(jié)論

本文以4190ZLC-2型船用中速柴油機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用AVL_FIRE軟件構(gòu)建柴油-甲醇雙燃料燃燒室模型，探究噴油提前角對(duì)雙燃料柴油機(jī)的燃燒、排放以及動(dòng)力特性的影響，結(jié)論如下。

1)當(dāng)甲醇摻混比為20%，噴油提前角分別為16.6°、20.6°、22.6°時(shí)，缸內(nèi)壓力峰值分別為8.95，10.02，10.53 MPa。由此可知，隨著噴油提前角的不斷增大，缸內(nèi)壓力峰值呈現(xiàn)增大趨勢，同時(shí)燃燒始點(diǎn)前移，放熱率曲線由雙峰向單峰變化且峰值增大，對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角明顯前移。

2)在額定工況下，噴油提前角增大，使CO、Soot排放降低，對(duì)Soot抑制效果明顯，但NO排放呈現(xiàn)增大的趨勢。噴油提前角為20.6°時(shí)，NO排放較原機(jī)增加29.83%，Soot排放量降低30.5%，CO排放量降低5.6%，指示功率增至58.75 kW。